圖片來源：NASA/噴氣推進實驗室（JPL）

隨著太空探索的不斷進步，大量的時間和金錢在最近正投入到可有效利用太空資源的技術上。而在這些技術研發的最前沿，則是專注於尋求在月球上生產氧氣的最佳方式。

2021年10月，澳大利亞航天局（Australian Space Agency）和美國航空航天局（NASA）簽署了一項協議，即在阿爾忒彌斯（Artemis）計劃中送一輛澳大利亞製造的漫遊車登上月球。這輛月球漫遊車的目的是收集月球岩石，藉助這些特殊的岩石，最終在月球上產出可供呼吸的氧氣。

月球雖說是有大氣層的，但它非常稀薄，主要由氫氣、氖氣和氬氣組成，對於人類這種依賴氧氣維持生命的哺乳動物來說，月球大氣並不是“合格”的氣體混合物。

實際上，月球擁有充足的氧氣，只不過它不是以氣體的形式存在，而是被封在了月壤（regolith，又稱“風化層”）中，即覆蓋月球表面的岩石和細小的塵埃層之中。如果我們能夠從月壤中將這些氧氣提取出來，得到的量又是否足以支撐人類在月球上生活、工作呢？

藏在礦物質裡的氧

在地球上，氧氣也存在於很多的地下礦物質之中，而月球上的岩石其實和地球上的相差無幾，只是含有稍多一些的流星物質。

矽、鋁、鐵和鎂等元素的氧化物是月壤中的主要礦物，所有這些礦物質都含有氧，但並不是我們的肺可以吸入的形式。

在月球上，這些礦物以多種不同的形式存在，包括覆蓋在月球表面的堅硬岩石、塵埃、礫石和石頭。千年復千年，隕石不斷撞擊月球表面，產生了這些岩石和塵埃。

月球的這種表層岩石和塵埃等物質雖被稱作“月壤”，但與地球上的土壤仍存在本質上的區別。眾所周知，土壤是一種非常神奇的東西，只出現在了地球上，它是由大量生物體用了數百萬年在土壤母質（parent material），即由硬質岩石發展而來的風化殼層之上協同創造的。

在最初的原始岩石中，並不存在如今的礦物質基岩。地球的土壤中充滿了顯著的物理、化學和生物特性；而相比之下，月球表面的物質基本上是原始的、未受影響的風化層。

一種反應物，兩種生成物

月壤由大約45%的氧組成，但這些氧元素與上面提到的礦物質緊密結合在一起，為了破開它們之間牢固的紐帶，我們需要投入能量。

如果你還記得高中學過的電解反應，或許會更容易理解科學家從月壤中提取氧的原理。在地球上，電解過程通常用於製造業，例如電解法生產金屬鋁：以氧化鋁為溶質，讓強大的直流電透過電極後，將鋁單質與氧分離開來。

分解前後的月壤模擬物。圖片的左側是一堆反應前的模擬月壤，圖片的右側則是它分離出氧氣之後的樣子。

圖片來源：貝絲·洛馬克斯（Beth Lomax）-格拉斯哥大學（University of Glasgow）

在這種情況下，氧氣是作為副產物產生的，而在月球上，氧氣將成為主要的生成物，而提取的鋁或其他金屬單質則將是潛在有用的副產物。

歐洲航天局（European Space Agency，ESA）位於荷蘭的歐洲空間研究與技術中心（European Space Research and Technology Centre，ESTEC）材料和電氣元件實驗室（Materials and Electrical Components Laboratory）已經建立了一個月壤製氧廠原型，利用月壤模擬物進行實驗製備氧氣。

來自英國格拉斯哥大學的ESA研究員亞歷山大·默裡塞（Alexandre Meurisse）和貝絲·洛馬克斯在ESA材料和電氣元件實驗室內從模擬的月壤中製備氧氣和金屬單質。

圖片來源：ESA/A·科尼吉利（A。 Conigili）

歐洲空間研究與技術中心使用一種被稱為熔鹽電解法的方法進行氧氣提取，他們將模擬月壤放入金屬籃中，將熔融的氯化鈣鹽作為電解質，加熱至950°C。在這一溫度下，模擬月壤仍保持固體狀態，但透過它的電流會讓氧氣從模擬月壤中分解出來，穿過電解質鹽遷移到陽極。

電解的過程非常簡單，但其中存在的一個問題是：它非常耗能。為了讓這種反應可持續，它須要得到太陽能或其他月球上可用能源的支援。

從月壤中提取氧氣也需要大量的工業裝置。首先，須要將固態金屬氧化物化為液態，透過加熱或將其與溶劑或電解質混合加熱的方式。在地球上，我們擁有完成這項工作的技術和裝置，但如果要把這個裝置移到月球上，併產生足夠的電力或能量來執行它，將是一個巨大的挑戰。

今年早些時候，總部位於比利時的初創公司Space Applications Services宣佈正在建造3個實驗反應堆，用於改進在月球上用電解法制備氧氣的過程。他們希望到2025年能讓他們的技術參與ESA的原位資源利用（in-situ resource utilisation，ISRU）任務，登上月球。

月球能提供多少氧氣？

那麼，如果我們真能設法在月球上提取氧氣，月球又能為我們提供多少氧氣呢？事實證明：很多。

忽略那些月球更深處硬質岩石材料中存在的氧，只考慮月球表面我們更容易獲取的月壤時，科學家透過計算得到了一些估值。

每立方米的月壤平均含有1。4噸礦物質，這其中包含了大約630千克的氧。NASA表示，人類每天須要呼吸大約800克氧氣才能維持生存。那麼，630千克的氧可以讓一個人活上大約兩年的時間。

現在，讓我們假設月壤的平均深度約為10米，並且我們能提取出其中所有的氧。這意味著，月球最表層的10米就能提供足夠多的氧氣，支撐地球上所有80億人大約生存10萬年的時間。

月球基地中人類活動的藝術概念圖。

圖片來源：ESA/P·卡里爾（P。 Carril）

當然，這也取決於我們有效提取和利用氧氣的方式，但無論如何，這個數字還是相當驚人的！

話說回來，即使月球上擁有可觀的氧含量，我們在地球上生存繁衍得仍非常之好，我們應該盡一切努力保護這顆藍色的星球，尤其是它的土壤，在我們什麼也不做的情況下，它一直支撐著所有陸地生命的繁榮發展。

參考來源：

［1］ https：//theconversation。com/the-moons-top-layer-alone-has-enough-oxygen-to-sustain-8-billion-people-for-100-000-years-170013

［2］ https：//www。esa。int/Enabling_Support/Space_Engineering_Technology/ESA_opens_oxygen_plant_making_air_out_of_moondust